Question

8．某同学欲利用10kg某矿石（成分为40%Fe₂O₃、48%CuS、5%SiO₂、7%Al₂O₃） 为原料制取绿矾和胆矾，设计了如下流程：

已知：CuS不溶于非氧化性酸．
（1）固体1中成分为CuS、SiO₂（填化学式）；溶解矿石选用足量硫酸，试剂X最好选用Fe（填化学式）．
（2）加NaOH溶液时要控制好pH，若碱性太强，会导致产品中混有较多可溶性杂质，请用离子方程式解释Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O
（3）由“溶液2”获得FeSO₄•7H₂O的操作是：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；该操作过程中使用的可以直接加热的硅酸盐仪器名称是蒸发皿．
（4）FeSO₄•7H₂O在高温下分解，生成四种氧化物，其中之一为红棕色固体，另外还有两种含硫的氧化物，请写出该分解反应的化学方程式2FeSO₄•7H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂O₃+SO₂↑+SO₃+14H₂O．
（5）已知“固体3”中含有淡黄色固体，根据流程，写出“过程1”发生的化学反应离子方程式CuS+H₂O₂+2H⁺=Cu²⁺+S↓+2H₂O
（6）某同学在实验完成之后，得到10kg CuSO₄•5H₂O，则铜元素的回收率为80%．

Answer 1

分析 矿石（成分为40%Fe₂O₃、48%CuS、5%SiO₂、7%Al₂O₃） 为原料制取绿矾和胆矾流程：矿石加入足量稀硫酸，发生的反应有Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O，CuS不溶于非氧化性酸，SiO₂不溶于稀硫酸，固体1为CuS、SiO₂，滤液溶液1中含有Fe₂（SO₄）₃、Al₂（SO₄）₃；在滤液1中加入X，然后加入NaOH溶液并调节溶液的pH，得到沉淀Al（OH）₃ 和溶液2，从溶液2中能得到FeSO₄•7H₂O晶体，说明溶液2中溶质为FeSO₄，则X具有还原性，能将Fe³⁺氧化为Fe²⁺，且不能引进新的杂质，则X为Fe，加入试剂X发生的离子反应有2 Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺、Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑，将溶液2蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到FeSO₄•7H₂O晶体，固体1为CuS、SiO₂，加1mol/L的H₂SO₄he和6%H₂O₂，SiO₂不溶于稀硫酸，然后过滤，得到的固体3成分为SiO₂，将溶液3蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到CuSO₄•5H₂O晶体．
（1）CuS不溶于非氧化性酸，SiO₂不溶于稀硫酸，固体1为CuS、SiO₂，X具有还原性，能将Fe³⁺氧化为Fe²⁺，且不能引进新的杂质，则X为Fe；
（2）在滤液中加入铁粉将铁离子还原为亚铁离子，调节pH值使铝离子完全生成氢氧化铝沉淀，若碱性太强，会导致产品中混有较多可溶性杂质偏铝酸钠；
（3）将溶液2蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到FeSO₄•7H₂O晶体，可以直接加热的硅酸盐仪器为蒸发皿；
（4）硫酸亚铁结晶水合物晶体受热分解生成氧化铁、二氧化硫、三氧化硫和水，结合原子守恒配平书写化学方程式；
（5）“固体3”中含有淡黄色固体为S，CuS被氧化成硫，结合原子守恒配平书写离子方程式；
（6）根据硫元素守恒计算出理论产量，根据回收率=$\frac{实际产量}{理论产量}$×100%计算．

解答 解：（1）矿石（成分为40%Fe₂O₃、48%CuS、5%SiO₂、7%Al₂O₃） 为原料制取绿矾和胆矾流程：矿石加入足量稀硫酸，发生的反应有Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O，CuS不溶于非氧化性酸，SiO₂不溶于稀硫酸，固体1为CuS、SiO₂，滤液溶液1中含有Fe₂（SO₄）₃、Al₂（SO₄）₃；在滤液1中加入X，然后加入NaOH溶液并调节溶液的pH，得到沉淀Al（OH）₃ 和溶液2，从溶液2中能得到FeSO₄•7H₂O晶体，说明溶液2中溶质为FeSO₄，则X具有还原性，能将Fe³⁺氧化为Fe²⁺，且不能引进新的杂质，则X为Fe，
故答案为：CuS、SiO₂；Fe；
（2）氢氧化铝为两性氢氧化物，在滤液1中加入铁，然后加入NaOH溶液并调节溶液的pH，得到沉淀Al（OH）₃ 和溶液2，若碱性太强，会导致氢氧化铝溶解，氢氧化铝和氢氧化钠溶液的反应生成偏铝酸钠和水，离子方程式：Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O，
故答案为：Al（OH）₃+OH^-=AlO₂^-+2H₂O；
（3）从溶液中获取晶体的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，该操作需蒸发皿、酒精灯、玻璃棒等仪器，可以直接加热的硅酸盐仪器为蒸发皿，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥；蒸发皿；
（4）FeSO₄•7H₂O在高温下分解，生成四种氧化物，其中之一为红棕色固体为Fe₂O₃，另外还有两种含硫的氧化物为SO₂、SO₃，反应物为硫酸亚铁结晶水合物晶体受热分解生成氧化铁、二氧化硫、三氧化硫和水，结合原子守恒配平书写化学方程式为：2FeSO₄•7H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂O₃+SO₂↑+SO₃+14H₂O，
故答案为：2FeSO₄•7H₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂O₃+SO₂↑+SO₃+14H₂O；
（5）“固体3”中含有淡黄色固体为S，CuS被氧化成硫，反应的离子方程式为：CuS+H₂O₂+2H⁺=Cu²⁺+S↓+2H₂O，
故答案为：CuS+H₂O₂+2H⁺=Cu²⁺+S↓+2H₂O；
（6）10kg某矿石成分含48%CuS，CuS的物质的量为n=$\frac{m}{M}$=$\frac{10×1{0}^{3}g×48%}{96g/mol}$=50mol，理论得到m（CuSO₄•5H₂O）=nM=50mol×250g/mol=12500g，在实验完成之后，得到10kg CuSO₄•5H₂O，则铜元素的回收率=$\frac{实际产量}{理论产量}$×100%=$\frac{10kg}{12.5kg}$×100%=80%，
故答案为：80%．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，侧重考查制备实验方案的设计与评价、工艺流程的分析应用、分析推断及基本操作能力，明确物质性质及流程图中可能发生的反应、基本操作方法是解本题关键，注意把握常见物质的分离方法，题目难度中等．